DE3315703C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen einer flachen optischen Ebene senkrecht zu einem einfallenden Laserstrahl - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen einer flachen optischen Ebene senkrecht zu einem einfallenden Laserstrahl

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DE3315703C2
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G01B11/27—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes for testing the alignment of axes
    • G01B11/272—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes for testing the alignment of axes using photoelectric detection means

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Ausrichten eines von einer Laserquelle stammenden Laserstrahles zur Erzeugung einer optischen Ebene senkrecht zu dem Laserstrahl und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12 zur Erzeugung einer optischen Ebene senkrecht zu einem von einer Laserquelle einfallenden Laserstrahl. Eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren sind aus der US-PS 4 297 031 bekannt.
In der US-PS 4 297 031, auf deren gesamten Inhalt hier Bezug genommen wird, ist eine Technik zum Schwenken einer flachen Ebene senkrecht zu einem einfallenden Laserstrahl beschrieben. Ein Penta-Prisma wird an einer Spindel angebracht und mit einem einfallenden Laserstrahl ausgerichtet. Der einfallende Laserstrahl wird durch das Penta- Prisma reflektiert zur Erzeugung eines rechtwinklig zum einfallenden Laserstrahl austretenden Laserstrahls. Wenn die Spindel gedreht wird, erzeugt der austretende Laserstrahl eine Ebene senkrecht zu dem einfallenden Laserstrahl.
Wenn perfekte Bedingungen gegeben sind, nämlich die Drehachse des Penta-Prismas mit dem einfallenden Laserstrahl ausgerichtet ist, dann erzeugt der austretende Strahl eine perfekte flache Ebene. Wenn jedoch die Drehachse des Penta-Prismas mit dem einfallenden Laserstrahl nicht ausgerichtet ist, dann treten optische und geometrische Translations-Fehler in dem Ausgangsstrahl auf, wie in dem vorstehend angegebenen Patent im einzelnen erläutert ist. Eine perfekte Ausrichtung der Drehachse und der Laserstrahlachse ist sehr schwierig zu erreichen.
In dem oben erwähnten Patent wird eine Technik verwendet, die dazu führt, daß die durch einen Ausrichtungsfehler bzw. das Fehlen einer Ausrichtung erzeugten optischen und geometrischen Fehler sich gegenseitig auslöschen, um die Schwierigkeiten beim Ausrichten der Drehachse und der Laserstrahlachse miteinander zu überwinden und dennoch eine im wesentlichen flache Ebene senkrecht zum einfallenden Laserstrahl zu erzeugen. Insbesondere ist der Schnittpunkt des Laserstrahls mit der ersten reflektierenden Oberfläche des Prismas näherungsweise in einem vorbestimmten Abstand R von dem Schnittpunkt des Laserstrahls mit der Drehachse des Penta-Prismas angeordnet. Wenn diese Anordnung erreicht wird, sind die geometrischen und optischen Translations-Fehler gleich in ihrer Größenordnung, jedoch von entgegengesetztem Vorzeichen und löschen sich somit aus, um eine wirklich flache Ebene zu erzeugen.
Der vorbestimmte Abstand R ist gegeben durch
wenn ein massives Penta-Prisma verwendet wird, und R = 1,707D, wenn ein hohles Penta-Prisma verwendet wird, wobei D die Distanz ist, die der Laserstrahl in dem Penta-Prisma zwischen der ersten und der zweiten reflektierenden Oberfläche durchläuft, und N′ der Brechungsindex des Penta-Prismas ist.
Bei der Ausübung der oben erläuterten Technik ist es dennoch notwendig, das Penta-Prisma und den Laser derart relativ anzuordnen, daß der Laserstrahl die Drehachse des Penta-Prismas in oder nahe bei dem vorbestimmten Punkt schneidet. Dies ist in einigen Fällen schwierig aufgrund menschlicher Fehler, Maschinen-Vibrationen, Luft-Turbulenzen, akustischer Ablenkungen oder anderer Störungen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 und das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12 derart weiterzubilden, daß die Achse des Laserstrahls und die Drehachse des Penta-Prismas sich in oder nahe dem vorgewählten Punkt schneiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es wird somit sichergestellt, daß der einfallende Laserstrahl die Drechachse des Penta-Prismas in oder nahe dem vorbestimmten Punkt schneidet. Außerdem gewährleistet das erfindungsgemäße Verfahren, daß der einfallende Laserstrahl die Drehachse des Penta-Prismas in oder nahe dem vorbestimmten Punkt schneidet.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zur Erzeugung einer optischen Ebene senkrecht zu einem von einer Laserquelle einfallenden Laserstrahl ein Penta-Prisma, einen Detektor und Einstelleinrichtungen. Das Penta-Prisma ist an einer Spindel in einem vorbestimmten Abstand bzw. Entfernung von einem vorbestimmten Punkt auf der Drehachse der Spindel anbringbar. Die Detektoreinrichtung stellt fest, ob die Achse des einfallenden Laserstrahls den vorbestimmten Punkt schneidet und mit den Einstelleinrichtungen wird der einfallende Laserstrahl, bis seine Achse den vorbestimmten Punkt im wesentlichen schneidet, in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Detektoreinrichtung in Translation verschoben, so daß das Penta-Prisma die optische Ebene erzeugt, wenn es auf der Spindel gedreht wird.
Insbesondere umfaßt die Detektoreinrichtung einen zwischen der Laserquelle und dem Penta-Prisma angeordneten Spiegel und einen optischen Detektor mit einem Targetpunkt. Der optische Detektor und der Spiegel sind jeweils relativ zu dem vorbestimmten Punkt derart angeordnet, daß ein gegebener Punkt auf dem Spiegel im wesentlichen gleich weit von dem Targetpunkt und dem vorbestimmten Punkt entfernt ist.
Bevorzugt ist der Spiegel halbversilbert, um den einfallenden Laserstrahl in einen ersten, zu dem Penta-Prisma gerichteten, und einen zweiten, zu dem optischen Detektor gerichteten Strahl aufzuteilen.
Eine Zylinderlinse kann wahlweise zwischen dem Spiegel und dem optischen Detektor angeordnet sein.
Die Einstelleinrichtungen umfassen ein optisches Einstellelement, durch das der einfallende Laserstrahl hindurchgeht, wobei die Ausrichtung des optischen Einstellelements einstellbar ist, um eine Translation des einfallenden Laserstrahls herbeizuführen. Bevorzugt ist das optische Einstellelement eine planparallele Platte. Gemäß einer ersten Ausführungsform umfassen die Einstelleinrichtungen Mittel zur manuellen Änderung der Ausrichtung des optischen Einstellelements in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des optischen Detektors. Gemäß einer zweiten Ausführungsform umfassen die Einstelleinrichtungen eine automatische Servoeinrichtung zur automatischen Änderung der Ausrichtung des optischen Einstellelelements in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des optischen Detektors.
Alternativ können die Einstelleinrichtungen ein Paar von Einstellinsen oder planparallelen Platten umfassen, durch welche der einfallende Laserstrahl hindurchgeht. Die Einstellinsen sind um wechselweise zueinander senkrechten Achsen drehbar, wobei die Ausrichtung der Einstellinsen einstellbar ist zur Herbeiführung der Translation des einfallenden Laserstrahls. Auf diese Weise braucht nur das Penta-Prisma gedreht zu werden, während der halbversilberte Spiegel, der optische Detektor und die Einstellinsen stationär bleiben können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Vorrichtung zur Erzeugung einer im wesentlichen flachen optischen Ebene im wesentlichen senkrecht zu einem von einer Laserquelle einfallenden Laserstrahl vorgesehen mit einem Gehäuse, einem Penta- Prisma, einem optischen Detektor, einem Spiegel und Einstelleinrichtungen. Das Gehäuse ist an einer Spindel in einem vorbestimmten Punkt anbringbar und mit dieser drehbar. Das Penta-Prisma ist an bzw. in dem Gehäuse näherungsweise in einem vorbestimmten Abstand von dem vorgewählten Punkt angeordnet. Der optische Detektor weist einen Targetpunkt auf und ist ebenfalls in dem Gehäuse angeordnet. Der Spiegel ist in dem Gehäuse vor dem Penta-Prisma in Richtung des einfallenden Laserstrahls angeordnet und richtet zumindest einen Teil des einfallenden Laserstrahls zu dem optischen Detektor. Die Einstelleinrichtungen sind in dem Gehäuse vor dem Spiegel in Richtung des einfallenden Laserstrahls angeordnet und verschieben den einfallenden Laserstrahl in Translation in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des optischen Detektors, so daß das Penta-Prisma die im wesentlichen flache optische Ebene erzeugt, wenn das Gehäuse auf der Spindel gedreht wird.
Das Penta-Prisma, der Spiegel und der optische Detektor sind in dem Gehäuse derart angeordnet, daß der optische Detektor ein Fehlersignal erzeugt, wenn die Achse des einfallenden Laserstrahls im wesentlichen von dem vorbestimmten Punkt weggerichtet ist. Die Einstelleinrichtungen richten die Achse des einfallenden Laserstrahls im wesentlichen zu dem vorbestimmten Punkt aus durch Vermindern des Fehlersignals. In fundamentaler Weise ist ein gegebener Punkt auf dem Spiegel gleich weit von dem Targetpunkt und dem vorbestimmten Punkt entfernt angeordnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist bei einem Verfahren zur Erzeugung einer im wesentlichen flachen optischen Ebene im wesentlichen senkrecht zu einem von einer Laserquelle einfallenden Laserstrahl ein Penta-Prisma auf einer Spindel in einem vorbestimmten Abstand von einem vorbestimmten Punkt auf der Drehachse der Spindel angeordnet. Durch Messung wird festgestellt, ob die Achse des einfallenden Laserstrahls den vorbestimmten Punkt kreuzt. Der einfallende Laserstrahl wird in Translation verschoben, bis seine Achse den vorbestimmten Punkt schneidet, wenn die Achse des einfallenden Laserstrahls den vorbestimmten Punkt nicht schneidet, und das Penta-Prisma wird auf der Spindel zur Erzeugung der optischen Ebene gedreht.
Zum Feststellen durch Messen können ein optischer Detektor mit einem Targetpunkt und ein Spiegel relativ zu dem vorbestimmten Punkt derart angeordnet werden, daß ein gegebener Punkt auf dem Spiegel im wesentlichen gleich weit von dem Targetpunkt und dem vorbestimmten Punkt angeordnet ist, wobei der Spiegel zwischen der Laserquelle und dem Penta-Prisma angeordnet wird. Der Spiegel kann halbversilbert sein, um den einfallenden Laserstrahl in einen ersten, zu dem Penta-Prisma gerichteten, und einen zweiten, zu dem optischen Detektor gerichteten Strahl aufzuteilen. Zum Feststellen durch Messen kann weiterhin wahlweise eine Zylinderlinse zwischen dem Spiegel und dem optischen Detektor angeordnet werden.
Für die Einstellung kann der einfallende Laserstrahl durch eine Einstellinse geführt werden, während die Ausrichtung der Einstellinse so eingestellt wird, daß die Translation des einfallenden Laserstrahls herbeigeführt wird. Bevorzugt wird eine planparallele Platte als Einstellelement verwendet. Zum Einstellen kann weiterhin die Ausrichtung des Einstellelements in Abhängigkeit davon manuell geändert werden, ob die Achse des einfallenden Laserstrahls den vorbestimmten Punkt schneidet, oder alternativ kann die Ausrichtung des Einstellelements automatisch mit einer automatischen Servoeinrichtung erfolgen.
Bevorzugt ist die vorbestimmte Strecke bzw. der vorbestimmte Abstand gegeben durch
wenn das Penta-Prisma massiv ist, und R = 1,707D, wenn das Penta-Prisma hohl ist, wobei D die Strecke ist, die der Laserstrahl in dem Penta-Prisma zwischen der ersten und der zweiten reflektierenden Oberfläche von diesem durchläuft, und N′ der Brechungsindex des Penta- Prismas ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Strahlenverlaufs verschiedener Laserstrahlen,
Fig. 2 schematisch eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform, und
Fig. 3 rein schematisch eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Paar von Einstellinsen vorgesehen sind, die um zueinander senkrechte Achsen drehbar sind.
Das Prinzip der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf Fig. 1 erläutert. Ein Penta-Prisma 10 ist auf einer Spindel 12 drehbar um die Drehachse 14 angebracht. Der Laser 16 erzeugt einen einfallenden Laserstrahl 18, der durch erste und zweite reflektierende Wände 20 und 22 des Penta-Prismas reflektiert wird zur Erzeugung eines reflektierten Laserstrahls 18′, der rechtwinklig zu dem einfallenden Laserstrahl 18 angeordnet ist.
Das Penta-Prisma 10 wird gedreht, um mit dem reflektierten Laserstrahl 18′ eine flache Ebene zu erzeugen. Da jedoch die Drehachse 14 nicht kolinear mit dem Laserstrahl 18 ist, können die oben erläuterten geometrischen und optischen Fehler auftreten, die zu der Erzeugung einer Abweichung von der flachen Form oder einer waffelförmigen Verformung der Ebene führen. Gemäß dem oben erwähnten Patent und der Patentanmeldung wird der Abstand R zwischen der ersten reflektierenden Oberfläche 20 und dem Schnittpunkt Z zwischen dem Laserstrahl und der Drehachse 14 derart gewählt, daß sich die optischen und geometrischen Fehler perfekt auslöschen und somit eine wirklich flache Ebene bei Drehung des Pentra-Prismas 10 erzeugt wird. Wenn der Abstand R gegeben ist, dann besteht ein Erfordernis für die Einrichtung darin, daß die Achse des einfallenden Laserstrahls 18 die Drehachse in Punkt Z schneidet.
Nach Fig. 1 führt ein Laserstrahl, wie der Laserstrahl 18 oder der Laserstrahl 24 (in punktierter Linie dargestellt) von denen jeder die Drehachse 14 im Punkt Z schneidet, zu einem reflektierten Laserstrahl, in welchem die geometrischen und optischen Fehler beseitigt sind, wobei der vom Strahl 18 erzeugte reflektierte Laserstrahl 18′ dargestellt ist. Ein Drehen des Penta-Prismas 10 um die Achse 14 führt bei Benutzung jedes der Laserstrahlen 18 oder 24 zu einer wirklich flachen Ebene senkrecht zu den zugeordneten Eingangs- Laserstrahlen 18 oder 24.
Probleme treten jedoch dann auf, wenn die Achse des Laserstrahls die Drehachse 14 nicht in oder nahe beim Punkt Z schneidet. Diese Situation kann trotz sorgfältiger Anbringung der Spindel 12 relativ zum Laser 16, beispielsweise aufgrund eines menschlichen Fehlers, auftreten. Ebenso können Translations-Verschiebungen im Laserstrahl 18 vom Punkt Z auftreten aufgrund von Maschinen-Vibrationen, Luft-Turbulenzen, akustischen Beugungen oder Ablenkungen und dergleichen.
Ein Beispiel für einen solchen verschobenen Strahl ist mit einer Achse 26 (in gestrichelten Linien dargestellt) gezeigt, der quer zum Laserstrahl 18 derart versetzt ist, daß er die Drehachse 14 im Punkt Z+ε schneidet, der in einem Abstand R+ε von der ersten reflektierenden Oberfläche 20 des Penta-Prismas gelegen ist. Bei Benutzung eines Laserstrahls entlang Achse 26 wird eine Ebene erzeugt, die zwar nocht senkrecht zum Eingangs-Laserstrahl liegt, jedoch geometrische und/oder optische Fehler aufweist, die zu einer unflachen Abweichung der Ebene führt, wenn das Penta-Prisma gedreht wird. Unglücklicherweise ist die Feststellung einer solchen Bedingung in einer Arbeitsumgebung schwierig, da die involvierten Toleranzen sehr klein, in der Größenordnung von Tausendstel eines Zentimeters liegen.
Die in Querrichtung durch Translation verschobene Laserstrahlachse, sowie die Laserstrahlachse 26, kann durch die Benutzung eines halbversilberten Spiegels 28 und eines optischen Detektors 30 festgestellt werden. Nach Fig. 1 ist der halbversilberte Spiegel 28 unter einem Winkel von 45° relativ zu der Eintrittsfläche 32 des Penta-Prismas 10 und in bezug auf den optischen Detektor 30 angeordnet. Jedoch können, wie es in der Patentanmeldung des Anmelders vom gleichen Tage mit der US-Priorität vom 24. Mai 1982, US-Aktenzeichen 381 078 mit dem Titel "Optische Einrichtung und Meßverfahren zur Benutzung mit einer Laser-Meßeinrichtung", beschrieben ist, auf deren gesamten Inhalt hier Bezug genommen wird, das Penta-Prisma 10, der Spiegel 28 und der optische Detektor 30 relativ unter im wesentlichen irgendeinem beliebigen Winkel angeordnet sein, wobei das einzige Erfordernis darin besteht, daß die Abstände, wie in Fig. 1 gezeigt, nämlich RV und RA im wesentlichen identisch sind. Der Abstand RV gemessen zwischen irgendeinem Punkt auf dem Spiegel 28 und dem gewünschten Punkt Z (im vorbestimmten Abstand R hinter der ersten reflektierenden Oberfläche 20) muß gleich dem Abstand RA sein, der zwischen demselben Punkt auf dem Spiegel 28 und dem Zentrum des optischen Detektors 30 besteht. Indem der Spiegel 28 und der optische Detektor in dieser Weise vorgesehen werden, wird der Detektor 30 hinter dem Penta-Prisma 10 in virtueller Weise "lokalisiert", wobei dessen Tot-Zentrums-Punkt mit dem Punkt Z koinzidiert; der virtuelle Ort des optischen Detektors 30 ist in gestrichelten Linien beim Punkt Z gezeigt und mit 30′ bezeichnet. Bei der Anordnung des Spiegels 28 und des Detektors 30 in dieser Weise wird, wie es in der oben zitierten Anmeldung des Anmelders vom gleichen Tage im einzelnen erläutert ist, irgendein Laserstrahl mit einer Achse, die die Drehachse 14 im Punkt Z schneidet, sowie die Laserstrahlen 18 oder 24, von dem halbversilberten Spiegel 28 zu dem Tot-Zentrums-Punkt des optischen Detektors 30 reflektiert, der in der Zeichnung als Z′ bezeichnet ist, so daß von dem Ausgang des optischen Detektors 30 eine unmittelbare Anzeige geliefert wird, daß der Laserstrahl näherungsweise zum Punkt Z gerichtet ist. Wenn andererseits eine Translation des Laserstrahls weg vom Punkt Z auftritt, wie in dem Fall des Laserstrahls 26, dann wird der Strahl 26 durch den Spiegel 28 derart reflektiert, daß er auf den Punkt Z′+ε′ auf dem Detektor 30 fällt, wodurch eine unmittelbare Anzeige geliefert wird, daß der Laserstrahl 26 nicht richtig zum Punkt Z gerichtet ist. Somit fallen nur solche Laserstrahlen, die zum Punkt Z gerichtet sind, und zwar unabhängig von dem Winkel, unter dem sie ausgerichtet sind, auf den Tot-Zentrums-Punkt Z′ des optischen Detektors 30, während alle anderen Strahlenpfade, die zu irgendeinem anderen Punkt, als dem Punkt Z, auf der Achse 14 gerichtet sind, in ähnlicher Weise auf irgendeinen anderen Punkt als das Tot-Zentrum auf den optischen Detektor 30 fallen.
Die wesentlichen Vorteile der in Fig. 1 veranschaulichten Anordnung werden nun mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben. Ein Penta-Prisma-Modul-Gehäuse 34 kann an der Spindel 12 in dem vorbestimmten Punkt Z angebracht werden, wobei die erste reflektierende Fläche 20 des Penta-Prismas 10 in dem vorbestimmten Abstand R von diesem angeordnet ist. Ein einfallender Laserstrahl, beispielsweise 26, tritt in dem Modul 34 durch ein Fenster 36 ein und verläuft zum Penta-Prisma 10 durch eine planparallele Platte 38 und einen halbversilberten Spiegel 28. Weiterhin ist der optische Detektor 30 vorgesehen, wobei der Detektor 30, der Spiegel 28 und das Penta-Prisma 10 jeweils relativ in der anhand von Fig. 1 erläuterten Weise angeordnet sind. Außerdem ist eine manuelle Einstelleinrichtung 40 oder alternativ eine automatische Servoeinrichtung 42 vorgesehen, von denen jede die planparallele Platte 38 in eine gewünschte Stellung bewegt. Schließlich kann wahlweise eine Zylinderlinse 44 zwischen dem Spiegel 28 und dem optischen Detektor 30, falls gewünscht, angeordnet sein. Jedoch ist die Zylinderlinse 44 für eine richtige Betriebsweise nicht erforderlich.
Im Betrieb wird der Modul 34 auf der Spindel 12 im Punkt Z angebracht, wobei der Abstand R für das besondere, zu verwendende Penta-Prisma voreingestellt ist. Somit braucht die Achse des einfallenden Laserstrahls nur zum Punkt Z, wie dargestellt, ausgerichtet zu werden, um bei Drehung der Spindel 12 eine wirklich flache Ebene zu erzeugen. Ein einfallender Laserstrahl 26 wird in dem Modul in die näherungsweise Richtung des Punkts Z gerichtet und verläuft durch die planparallele Platte 38 zu dem halbversilberten Spiegel 28. Ein Anteil des Strahls wird vom Spiegel 28 zum optischen Detektor 30 reflektiert, und wenn der einfallende Strahl nicht genau auf den Punkt Z gerichtet ist, fällt der zum optischen Detektor 30 reflektierte Strahl auf einen anderen Punkt als dem Tot-Zentrums-Punkt Z′, wodurch ein Ausgangssignal vom optischen Detektor erzeugt wird, das für den Verschiebungsfehler im Strahl 26 kennzeichnend ist. Dieses Fehlersignal vom Detektor 30 kann an ein Meßgerät oder eine andere sichtbarmachende Anzeigeeinrichtung angelegt werden, so daß eine Bedienungsperson die planparallele Platte 38 mittels der manuellen Einstelleinrichtung 40 bewegen kann, bis der Ausgang des Detektors 30 zu Null gemacht ist, wodurch angezeigt wird, daß der Strahl 26, beispielsweise, in den Strahl 26′ durch Translation, bewegt worden ist, der genau auf den Punkt Z gerichtet ist. Alternativ kann das Fehlersignal vom Detektor 30 zu einer automatischen Servoeinrichtung 42 geliefert werden, welches die Platte 38 derart dreht, daß das Fehlersignal nach Null geht. Die Zylinderlinse 44 kann vorgesehen werden, da der Detektor 30 nur die Position des vom Spiegel 28 reflektierten Strahls entlang einer einzigen Dimension, wie durch den Pfeil 46 dargestellt, zu bestimmen braucht, weil eine Translation des Strahls 26 senkrecht zur Richtung 46 (senkrecht zur Zeichnungsebene) eine Translation des reflektierten Strahls 18′ in der erzeugten Ebene bewirkt.
Eine alternative Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Fig. 3 erläutert. Die Ausführungsform in Fig. 3 umfaßt ein Penta-Prisma 10, einen Strahlungs-Teiler 28, einen Detektor 30, ein Vertikalservo 48, das eine erste planparallele Platte 50 um eine horizontale Achse dreht, und ein Horizontalservo 52, das eine zweite planparallele Platte um eine vertikale Achse dreht. Wenn das Paar von orthogonalen Servos 48 und 52 zusammen mit den entsprechenden planparallelen Platten 50 und 54 verwendet wird, braucht nur das Penta-Prisma 10 gedreht zu werden, während der Strahlungsteiler 28, der Detektor 30, der Vertikalservo 48 und der Horizontalservo 52 und die planparallelen Platten 50 und 54 stationär bleiben, wodurch die Abmessung des Moduls verringert werden kann, falls dies erwünscht ist. Der Detektor 30 liefert die Information sowohl für eine horizontale als auch für eine vertikale Ausrichtung in der bekannten Weise, wobei die horizontalen und vertikalen Abweichungen des Eingangslaserstrahls 26 von dem Tot-Zentrums-Punkt des Detektors 30 bzw. hierdurch hervorgerufene Signale an den horizontalen Servo 52 bzw. den vertikalen Servo 48 angelegt werden, so daß der Eingangs-Laserstrahl sowohl vertikal als auch horizontal zu dem gewünschten Punkt Z bewegt wird.
Somit sieht der Modul gemäß der Erfindung eine in vollem Umfang wirksame Technik zum Schwenken einer wirklich flachen Ebene senkrecht zu einem einfallenden Laserstrahl vor. Der Modul braucht nur an der Spindel an einem vorbestimmten Kopplungspunkt angebracht zu werden, während ein Laserstrahl ausreicht, der zum Penta-Prisma nur grob ausgerichtet zu sein braucht. Die planparallele Platte 38 kann manuell oder automatisch derart gedreht werden, daß der durch diese hindurchgehende Laserstrahl die gewünschte Ausrichtung zur Erzeugung einer im wesentlichen perfekten optischen Ebene erhält.

Claims (14)

1. Vorrichtung zum Ausrichten eines von einer Laserquelle (16) stammenden Laserstrahles (18) zur Erzeugung einer flachen optischen Ebene (18′) senkrecht zu dem Laserstrahl (18), mit einem Penta-Prisma (10), das an einer Spindel (12) befestigt und mit ihr drehbar ist, wobei eine Fläche (20) des Penta-Prismas (10) in einem vorbestimmten Abstand (R) entlang der Richtung des einfallenden Laserstrahls (18) von einem vorbestimmten Punkt (Z) der Drehachse der Spindel (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Detektoreinrichtung (28, 30) zwischen Laserquelle (16) und Penta- Prisma (10) zur Feststellung vorgesehen ist, ob die Achse des auf das Penta-Prisma (10) fallenden Laserstrahles (18) den vorbestimmten Punkt (Z) schneidet,
eine Einstelleinrichtung (40) zum Parallelverschieben des Laserstrahles (18) in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (28, 30) vorgesehen ist, derart, daß die Achse den vorbestimmten Punkt (Z) schneidet, so daß das Penta-Prisma (10) die flache optische Ebene (18′) erzeugt, wenn es auf der Spindel (12) gedreht wird,
die Detektoreinrichtung (28, 30) einen Spiegel (28), der zwischen der Laserquelle (16) und dem Penta-Prisma (10) angeordnet ist, und einen optischen Detektor (30) mit einem Auffängerpunkt umfaßt,
der optische Detektor (30) und der Spiegel (28) jeweils relativ zu dem vorbestimmten Punkt (Z) derart angeordnet sind, daß ein gegebener Punkt auf dem Spiegel (28) sich im gleichen Abstand von dem Auffängerpunkt und dem vorbestimmten Punkt (Z) befindet und
der Spiegel (28) halbversilbert ist und dadurch den einfallenden Laserstrahl (18) in einen ersten, zum Penta-Prisma (10) gerichteten und einen zweiten, zum optischen Detektor (30) gerichteten Strahl aufteilt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zylinderlinse (44) zwischen dem Spiegel (28) und dem optischen Detektor (30) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (40) ein optisches Einstellelement (38) umfaßt, durch das der einfallende Lasertrahl (26) hindurchgeht, und daß die Ausrichtung des optischen Einstellelements (38) einstellbar ist für die Parallelverschiebung des einfallenden Laserstrahls (26).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Einstellelement (38) eine planparallele Platte ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (40) eine Einrichtung zur manuellen Änderung der Ausrichtung der planparallelen Platte (38) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des optischen Detektors (30) umfaßt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (40) eine automatische Servoeinrichtung (42) zur automatischen Änderung der Ausrichtung der planparallelen Platte (38) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des optischen Detektors (30) umfaßt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (40) eine erste (50) und eine zweite (54) planparallele Platte umfaßt, durch die der einfallende Laserstrahl (26) hindurchgeht, und daß die Ausrichtung der ersten (50) und zweiten (54) planparellelen Platte für die Parallelverschiebung des einfallenden Laserstrahls (26) einstellbar sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste planparallele Platte (50) um eine erste Achse in Abhängigkeit von einem ersten Ausgangssignal des optischen Detektors (30) und die zweite planparallele Platte (54) um eine zweite, zu der ersten Achse senkrechte Achse, in Abhängigkeit von einem zweiten Ausgangssignal des optischen Detektors (30) drehbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Gehäuse, das auf der Spindel (12) in einem vorbestimmten Punkt anbringbar und auf dieser drehbar ist, wobei das Penta-Prisma (10) an dem Gehäuse in einem vorbestimmten Abstand von dem vorbestimmten Punkt angeordnet ist, wobei
  • - der optische Detektor (30) mit dem Auffängerpunkt an dem Gehäuse angeordnet ist,
  • - der Spiegel (28) am Gehäuse angebracht ist,
  • - die Einstelleinrichtung (40) an dem Gehäuse in der Richtung des einfallenden Laserstrahls (26) vor dem Spiegel (28) angeordnet ist, und
  • - das Penta-Prisma (10) die optische Ebene erzeugt, wenn das Gehäuse auf der Spindel (12) gedreht wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Penta- Prisma (10), der Spiegel (28) und der optische Detektor (30) relativ zu dem Gehäuse derart angeordnet sind, daß der optische Detektor (30) ein Fehlersignal erzeugt, wenn die Achse des einfallenden Laserstrahls (26, 18) von dem vorbestimmten Punkt (Z) weggerichtet ist, und daß die Einstelleinrichtung (40) die Achse des einfallenden Laserstrahls zu dem vorbestimmten Punkt ausrichtet durch Vermindern des Fehlersignals.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Abstand gegeben ist durch wenn das Penta-Prisma (10) massiv ist, und R=1,707D, wenn das Penta-Prisma (10) hohl ist, wobei D die Strecke ist, die der Laserstrahl in dem Penta-Prisma (10) zwischen dessen erster (20) und zweiter (22) reflektierender Oberfläche durchläuft, und N′ der Brechungsindex des Penta-Prismas (10) ist.
12. Verfahren zur Erzeugung einer optischen Ebene senkrecht zu einem von der Laserquelle (16) einfallenden Laserstrahl (18, 26) mit einem Penta- Prisma (10), das auf einer Spindel (12) drehbar angebracht ist, wobei eine Fläche (20) des Penta-Prismas (10) in einer vorbestimmten Entfernung (R) entlang der Richtung des einfallenden Laserstrahls (18) von einem vorbestimmten Punkt (Z) der Drehachse der Spindel (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
durch Messung festgestellt wird, ob die Achse des einfallenden Laserstrahls (18, 26) den vorbestimmten Punkt (Z) schneidet,
daß, wenn die Achse des einfallenden Laserstrahles (18, 26) den vorbestimmten Punkt (Z) nicht schneidet, der einfallende Laserstrahl (18, 26) parallelverschoben wird, bis seine Achse den vorbestimmten Punkt (Z) schneidet,
daß das Penta-Prisma (10) auf der Spindel (12) zur Erzeugung der optischen Ebene gedreht wird,
daß für den Feststellungsschritt ein optischer Detektor (30) mit einem Auffängerpunkt und ein Spiegel (28) relativ zu dem vorbestimmten Punkt (Z) derart angeordnet werden, daß ein gegebener Punkt auf dem Spiegel (28) gleich weit von dem Auffängerpunkt und dem vorbestimmten Punkt (Z) beabstandet ist, wobei der Spiegel (28) zwischen der Laserquelle (16) und dem Penta-Prisma (10) angeordnet wird, und
daß für den Feststellungsschritt der einfallende Laserstrahl (26) mittels eines halbversilberten Spiegels (28) in einen ersten, zu dem Penta-Prisma (10) gerichteten und einen zweiten, zu dem optischen Detektor (30) gerichteten Strahl aufgeteilt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Parallelverschiebung die Ausrichtung der planparallelen Platte (38) in Abhängigkeit davon geändert wird, ob die Achse des einfallenden Laserstrahls (26) den vorbestimmten Punkt (Z) schneidet.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zum Parallelverschieben die Ausrichtung der Einstellinse (38) mittels einer automatischen Servoeinrichtung (42) in Abhängigkeit davon automatisch geändert wird, ob die Achse des einfallenden Laserstrahls (26) den vorbestimmten Punkt schneidet.
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